多篇文章解读科学家们如何构建细胞图谱助力人类健康研究？

本文中，小编整理了多篇研究报告，共同解读科学家们如何构建细胞图谱来助力人类健康研究，与大家一起学习！

图片来源：Katja Luck et al.

【1】Nat Immunol：毒性细胞图谱有助于治疗神经退行性疾病

doi：10.1038/s41590-020-0654-0

许多炎症性和神经退行性疾病，包括多发性硬化症（MS）的共同点是氧化应激引起的损伤。当细胞产生被称为”活性氧(ROS)”的有毒物质时，就会发生氧化应激反应，这些物质会破坏神经细胞和体内其他细胞。在进行性多发性硬化症患者中，被称为小胶质细胞的大脑免疫细胞现在被认为是氧化应激和随之而来的大脑损伤的早期参与者。这种氧化应激反应产生的神经毒性也会导致许多其他疾病的发生，包括阿尔茨海默氏症、帕金森氏症、ALS、癫痫、中风和脑外伤等。此外，氧化应激也是导致自身免疫性疾病和感染性疾病的关键因素。然而，免疫细胞如何调节和开启其ROS的产生仍然不够清楚。

近日，一项刊登在国际杂志Nature Immunology上的研究报告中，来自Gladstone研究所的研究人员发表了损害大脑的有毒免疫细胞的综合分子谱或 "地图集"；研究者表示，通过使用这个分子图谱，可以用于确定治疗多发性硬化的潜在药物靶点。甚至可以用于其他疾病的药物开发。为了了解产生氧化应激的免疫细胞如何对中枢神经系统造成损害，研究人员开发了一种名为Tox-seq的方法。Tox-seq将单细胞RNA测序技术与产生氧化应激的细胞（具体来说就是在中枢神经系统中造成损伤的细胞）的选择性标记整合在一起，并揭示出基因的 "开启 "或 "关闭 "状态。

【2】Nature：重磅！科学家首次绘制出全球最大的人类蛋白质互作组图谱—HuRI！

doi：10.1038/s41586-020-2188-x

人体由数十亿个细胞组成，每个细胞都能通过其分子部分之间无数的相互作用而形成和维持，但哪些相互作用能维持机体健康？，哪些相互作用出错时会引发疾病？人类基因组计划为我们提供了一份细胞“部件列表”，只有当我们更好地理解了这些部分之间相互作用连接的机制，我们或许才能理解细胞到底是如何工作的，以及发生疾病时细胞到底哪些方面出了错？近日，一篇发表在国际杂志Nature上的研究报告中，来自多伦多大学等机构的科学家们就通过研究绘制出了世界上最大的蛋白质互联/互作图谱，其或许对于揭示如何维持机体健康并阐明引发疾病的原因至关重要。研究者Marc Vidal表示，如今很多科学家需要一张基因编码蛋白的相互作用组(interactome)图谱，从上世纪90年代中期以来，我们就一直在推动这一理念，即利用互作组图谱来阐明生命的方方面面。

本文中，研究者绘制出了首张人类互作组参考图，其构成了相关的信息支架，有望帮助理解基因错误诱发癌症等多种疾病的机制，以及诸如SARS-CoV-2等病毒与人类宿主相互作用的机制。在经过近十年的努力后，来自美国、加拿大等国家的80多名研究人员共同研究绘制出了这张全球最大的人类蛋白质互作图谱，这张名为人类参考蛋白互作组图谱（HuRI，Human Reference Interactome map）中包含有8275个人类蛋白的52569种互作模式。

【3】Nature：浙江大学领衔在构建全面的人类单细胞图谱方面取得重大进展

doi：10.1038/s41586-020-2157-4

在一项新的研究中，来自中国浙江大学等研究机构的研究人员朝构建全面的人类单细胞图谱迈出了一大步。相关研究结果发表在Nature期刊上。在这篇论文中，他们描述了他们对志愿者捐赠的50多万个细胞的RNA进行测序，以及如何处理这些信息从而以一种可用于单细胞图谱的方式进行展示。

人体中的所有细胞都具有相同的遗传信息，但是它们在表达哪些基因方面存在着不同。表达的那些基因确定了给定细胞的功能。一段时间以来，医学研究员一直想要一种能描述哪些基因在人体各个部位的细胞中表达的图谱。这样的图谱将帮助科学家们更好地了解细胞的功能以及它们如何协同发挥作用，此外还可以为新的研究工作节省时间。人们已经为某些组织类型构建了细胞图谱，但是目前，没有单个图谱可以覆盖人体中的所有细胞类型。毕竟，由于人体拥有超过30万亿个细胞，因此构建此类图谱需要大量时间和精力。在这项新的研究中，这些研究人员朝着这一目标迈出了一大步，为人体不同部位（包括胎儿组织）的500000多个细胞（包括所有主要器官）提供了基因表达信息。

【4】Science：构建首个人类胸腺细胞图谱，揭示人类免疫系统起源，为开发新型癌症免疫疗法打开大门

doi：10.1126/science.aay3224

人类胸腺的首个细胞图谱可能会导致新的免疫疗法来治疗癌症和自身免疫疾病。如今，在一项新的研究中，来自英国纽卡斯尔大学、韦尔科姆基金会桑格研究所和比利时根特大学等研究机构的研究人员绘制出胸腺组织在人类一生中的图谱，以了解它如何发育和产生重要的称为T细胞的免疫细胞。在未来，这些信息可能有助于科学家们构建出人造胸腺和设计改进的治疗性T细胞，相关研究结果发表在Science期刊上。

这种人类胸腺图谱揭示了新的细胞类型和鉴定出指示未成熟的免疫细胞如何发育为T细胞的信号。它还可能有助于科学家们理解影响T细胞发育的疾病，比如重症综合性免疫缺陷（SCID），并加入到正在构建的人类细胞图谱（Human Cell Atlas）计划中。胸腺位于胸部，可产生T细胞，即抵抗感染和疾病的关键白细胞。这些T细胞随后离开胸腺进入血液和身体其他部位以便进一步成熟。T细胞寻找并消灭入侵的细菌和病毒，还可以识别癌细胞并杀死它们。

【5】Cell：重磅！科学家成功绘制出了神经元细胞表面所有蛋白的全景图谱！

doi：10.1016/j.cell.2019.12.029

近日，一项刊登在国际杂志Cell上的研究报告中，来自霍华德-休斯医学研究所等机构的科学家们通过研究开发了一种新方法来重点研究特殊细胞表面覆盖的蛋白质，相关研究结果或能帮助阐明机体发育过程中脑细胞如何形成精细化的网络。这就好比是撒了一张小网，如今研究者就能利用这种新技术将果蝇大脑中神经元表面的所有蛋白收集起来，同时研究者还发现了20种新型分子能够参与到发育大脑的神经连接过程中。

相关研究结果或能帮助研究人员理解大脑中的神经元形成复杂网络的分子机制，文章中，研究人员首次研究发现，这种发现蛋白的新方法在完整的大脑组织中能够发挥作用，并不仅仅是实验室中培养的细胞。这项研究非常重要，因为组织环境对于细胞发育非常重要，而实验室的细胞培养基并不能对其进行复制，截至目前为止，科学家们并没有找到方法来监测诸如大脑等复杂组织中细胞表面的所有蛋白，而本文中研究人员所开发的新技术就能够填补这一空白。

图片来源：Liqun Luo

【6】Nature：首次绘制人类发育中肝脏的细胞图谱，破解人类胎儿肝脏造血秘密

doi：10.1038/s41586-019-1652-y

在一项新的研究中，英国研究人员在世界上首次构建出人类发育中肝脏的细胞图谱，它提供了关于胎儿中血液和免疫系统如何产生的重要见解。这种图谱描绘了在妊娠的头三个月和第二个三个月之间的发育中肝脏的细胞景观变化，包括来自肝脏的干细胞如何播种到其他组织，以支持生长所需的高氧气需求，相关研究结果近期发表在Nature期刊上。

这种图谱是一种综合的高分辨率资源，可改进我们对正常发育的理解，并且有助于医疗机构治疗可能在发育过程中形成的疾病，比如白血病和免疫疾病。在此之前，人们还不清楚人类血液和免疫系统如何产生，这一过程被称为造血作用。成年后，正是骨髓产生我们的血液和免疫细胞。但是在早期胚胎生活中，卵黄囊和肝脏在制造血液和免疫细胞中起着重要作用。这些细胞随后播种到外周组织，比如皮肤、肾脏，最终播种到骨髓。

【7】Science：构建出疟原虫完整生命周期的细胞图谱—疟疾细胞图谱，极大加快疟疾研究和疗法开发

doi：10.1126/science.aaw2619

疟原虫是疟疾的致病因子，是具有不同形态发育阶段的单细胞生物，每个阶段都专门生活在极其不同的环境和宿主细胞类型中。这种形态多样性的基础是对它的紧凑基因组的严格调控，不过大约40％基因的功能仍然未知，这阻碍了有效药物和疫苗开发的速度。单细胞RNA测序（scRNA-seq）允许构建发育过程、细胞多样性和细胞间差异的高分辨率图谱，而且它在单细胞生物中的应用揭示了疟原虫在整个生命周期中的个体水平变异。

在一项新的研究中，来自英国等国家的研究人员构建出疟疾细胞图谱（Malaria Cell Atlas），这种图谱呈现出疟原虫在所有形态生命周期阶段的转录组学特征。这种图谱的目标是（i）了解在整个生命周期中的基因功能和使用；（ii）理解发育阶段转变背后的基因调控机制；（iii）发现疟原虫两头下注（bet-hedging）模式；（iv）提供一种参考数据集，可用于了解多种疟原虫物种在实验室中和在自然感染下的寄生虫生物学特性，相关研究结果发表在Science期刊上。

【8】Nature：重大进展！构建出人类肝脏的完整细胞图谱，鉴定出新的肝细胞亚型

doi：10.1038/s41586-019-1373-2

肝脏是人体最大、功能最广泛的器官之一。它将我们食物中的糖、蛋白和脂肪转化为对身体有用的物质，并将它们释放到细胞中。肝脏除了在人体新陈代谢中发挥作用外，还是一种免疫器官，对血液的排毒是必不可少的。最引人注目的是，当仅为原始质量的25%时，肝脏是唯一能够恢复到原来大小的内脏器官。

如今，在一项新的研究中，来自德国弗赖堡大学等机构的研究人员提供了人类肝脏组织的完整细胞图谱。通过使用所谓的单细胞RNA测序技术，马克斯普朗克免疫生物学与表观遗传学研究所的Dominic Grün团队与斯特拉斯堡大学的Thomas F. Baumert团队成功地构建出健康人肝脏中细胞群体的详细图谱。基于对来自9名人类供者的1万个细胞的分析，这种细胞图谱显示了所有重要的肝细胞类型，包括肝实质细胞（hepatocyte，肝脏中的主要代谢细胞）、血管内皮细胞、肝脏驻留巨噬细胞和其他的免疫细胞类型，以及胆管细胞和肝上皮祖细胞。利用这些数据，人们可以以前所未有的分辨率捕获细胞类型和细胞状态的多样性，并了解它们在发育过程中或疾病进展过程中如何发生变化，相关研究结果发表在Nature期刊上。

【9】Cell Stem Cell：构建单细胞图谱，将心脏瘢痕组织细胞重编程为健康的心肌细胞

doi：10.1016/j.stem.2019.05.020

每年有79万名美国人遭受心脏病发作，这会让受损的瘢痕组织存在于心脏中，并限制心脏的高效跳动能力。但是，如果科学家们能够将称为成纤维细胞的瘢痕组织细胞重编程为健康的心肌细胞会怎样呢？人们通过实验室实验和小鼠研究在这方面取得了很大进展，但人类心脏重编程仍然是一项巨大的挑战。如今，在一项新的研究中，来自美国北卡罗来纳大学教堂山分校和加州大学欧文分校的研究人员首次开发出一种稳定的可重复使用的将人成纤维细胞重编程为心肌细胞的简约平台。通过利用最新的单细胞技术和数学模拟，他们绘制出高分辨率的分子路线图，以便指导精确和有效的重编程，相关研究结果发表在Cell Stem Cell期刊上。

在过去十年里，Qian是心脏重编程研究的先驱。她的实验室开展的这项最新研究推动针对人类患者的心脏重新编程更接近现实，并且着眼于帮助数百万人从心脏病发作中康复过来。Qian说，“我们相信，我们将生物实验与单细胞基因组分析相结合的跨学科方法将启发未来理解人心肌细胞特性并将这些知识转化为再生疗法的关键步骤。”

【10】绘制出β细胞分化图谱有望开发出新型糖尿病细胞疗法！

doi：10.1038/d41586-019-01211-9

胰腺中的胰岛包含有分泌胰岛素的β细胞和分泌胰高血糖素的α细胞， 胰岛素和胰高血糖素是两种特殊的激素，其能协同作用来调节机体血糖水平， β细胞的破坏和功能异常会导致糖尿病发生，目前并没有疗法能够阻断糖尿病进展及其严重的血管并发症。胰岛移植通常能够让机体血糖水平正常数年时间，且能阻断糖尿病次级并发生的出现，然而器官供体很少，因此临床上迫切需要胰岛细胞的替代来源，在这一方面，干细胞衍生的细胞是非常有希望的，近日一项刊登在国际杂志Nature上的研究报告中，Veres等人绘制出了干细胞分化为胰岛样细胞的分子过程图谱，相关研究工作或为后期制造用于移植的胰岛细胞提供了重要的基础。

人类多能干细胞能够无限自我更新并在体内分化成为多种类型的细胞，因此研究人员目前正在开发一些体外策略来通过干细胞来产生具有分化特性的胰岛细胞；而其中一种理想的方案就是促进干细胞分化为完全成熟的α细胞和β细胞，随后将其分离、纯化并且重新组装成为胰岛样结构用来进行移植，为了实现这一目标，研究人员就需要完全理解所有胰岛细胞的分化程序以及胰岛被构建的方式。（生物谷Bioon.com）

生物谷更多精彩盘点！敬请期待！